亮斑扁角水虻對有機廢棄物的應用及其腸道微生物研究進展

陳逢浩,鄭玉姣,ASEM Elabasy,李 軍,李志剛,徐齊云*

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學植物保護學院,廣州 510640;2. 廣東省科學院動物研究所/廣東省動物保護與資源利用重點實驗室/廣東省野生動物保護與利用公共實驗室,廣州 510260)

城市與鄉(xiāng)村統(tǒng)籌發(fā)展過程中產(chǎn)生的廢棄物,如畜禽集約型養(yǎng)殖的糞便以及日常垃圾等,給生產(chǎn)生活造成了一系列的問題。直接排放、焚燒和填埋等傳統(tǒng)的處理方式,存在環(huán)境污染、資源浪費、非法回收和威脅食品安全等缺點(Shumoetal.,2019)。20世紀50年代,家蠅Muscadomestica處理糞便技術體系對以上問題提供了較為有效的解決方法,但是由于經(jīng)濟成本高難以推廣;70年代發(fā)現(xiàn)亮斑扁角水虻Hermetiaillucens可替代家蠅處理有機廢棄物,轉化后的蟲體更是一種重要的資源,該蟲具備對環(huán)境無害、成本低廉且易于生產(chǎn)等優(yōu)點,使其成為了近三十年的一個研究熱點(Meneguzetal.,2018)。

亮斑扁角水虻,屬雙翅目Diptera水虻科Stratioemyidae扁角水虻屬Hermatia昆蟲,又稱黑水虻,具有卵、幼蟲、蛹和成蟲4個階段,廣泛分布于世界各地(45°N和40°S之間)(Shumoetal.,2019)。幼蟲共有6個齡期,在5齡之前取食廢棄物種類廣泛且食量巨大,而預蛹期與成蟲期的亮斑扁角水虻皆不進食,因此對廢棄物的轉化主體正是食物攝入量巨大的幼蟲階段(Joseph and Kaufman,2021)。

在國際上,亮斑扁角水虻資源利用的關注度正日漸提升,尤其在不同底物與其幼蟲之間的相互作用方面。Leong等(2016)的研究發(fā)現(xiàn),亮斑扁角水虻的單個體重、生長周期以及營養(yǎng)組成等因不同的有機廢物(污泥、果皮和棕櫚仁餅)而各異,且后代的性別比亦會產(chǎn)生變化。不僅如此,有機廢物的含水率、溫濕度、pH以及環(huán)境光照等因素也會影響亮斑扁角水虻幼蟲的生長發(fā)育情況(Salametal.,2022)。而在我國,目前較為關注亮斑扁角水虻幼蟲生物轉化作用的影響機制,普遍認為其腸道菌群為主導因素(喻國輝等,2010;周定中等,2012;江承亮,2018)。本文在系統(tǒng)總結了亮斑扁角水虻幼蟲生物轉化有機廢棄物類型、優(yōu)化途徑、蟲沙應用價值與腸道微生物功能的基礎上,討論了該領域未來研究方向,以期為亮斑扁角水虻在廢棄資源方面的應用提供新思路。

1 亮斑扁角水虻對有機廢棄物的生物轉化作用

亮斑扁角水虻幼蟲食譜廣泛,包括禽畜糞便(Lalanderetal.,2014)、餐廚垃圾(Mohd-Nooretal.,2017;周海林,2021)、動植物殘體(楊燕等,2016;Elsayed,2020)、沼渣污泥(Lietal.,2015)等,在有機廢棄物的減量應用方面成效顯著。

1.1 亮斑扁角水虻生物轉化禽畜糞便

全球禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)向規(guī)?；杆侔l(fā)展,但隨之產(chǎn)生的大量禽畜糞便亦造成了污染環(huán)境和資源浪費等問題,利用亮斑扁角水虻生物轉化技術可對禽畜糞便進行減量及除臭除菌,符合安全指標(崔哲銘等,2022)。糞便類型作為亮斑扁角水虻生物轉化作用的重要影響因素(Mirandaetal.,2021),使得近年來的研究集中于探討不同類型禽畜糞便的轉化可行性及其轉化效率。

在應用亮斑扁角水虻轉化雞糞方面,雖然雞糞干物質的減量率可達37%～60%(Oonincxetal.,2015;Rehmanetal.,2017;Rehmanetal.,2019),但單獨轉化糞便時效果并不理想。Bortolini等(2020)的研究發(fā)現(xiàn),在雞糞中摻入粗菱沸石更適宜亮斑扁角水虻對雞糞的生物轉化作用,雞糞減量率可達75%以上;而張曉林等(2021)利用亮斑扁角水虻幼蟲轉化雞糞的研究中,減量率雖然只有41%,但蟲體的粗蛋白(42.46%)和粗脂肪(27.82%)含量較高。

關于亮斑扁角水虻處理豬糞早在20世紀70年代已有報道(Newtonetal.,1977),近年來研究表明,豬糞的干物質減量率可達33%～55%(Zhouetal.,2013;Oonincxetal.,2015;Mirandaetal.,2019),營養(yǎng)元素及能量的回收率達到95%～103%(Parodietal.,2021),同時還可以減少轉化過程中的溫室氣體排放(Chenetal.,2019)。但王小波等(2020)發(fā)現(xiàn),以豬糞為基質進行生物轉化后,亮斑扁角水虻幼蟲蟲體內Cd、Cr含量超出中國《飼料衛(wèi)生標準》限值,在應用時須謹慎。

在牛糞上應用亮斑扁角水虻轉化技術時,牛糞干物質的減量率可達26%～58.2%(Myersetal.,2008;Lietal.,2011;Rehmanetal.,2017)。亮斑扁角水虻可轉化的禽畜糞便還有鴨糞(余峰等,2018)、兔糞(Tangaetal.,2021)、馬糞(Moulaetal.,2018)、狐貉糞(齊淑新等,2022))以及人類糞便(Lalanderetal.,2019),但是在兔糞中飼養(yǎng)的蟲體內存在致腸道生態(tài)失調的菌種。

1.2 亮斑扁角水虻生物轉化餐廚垃圾

亮斑扁角水虻生物轉化餐廚垃圾具有轉化效率高、除臭除病菌及生態(tài)經(jīng)濟效益高等優(yōu)點,是近年來餐廚垃圾資源利用的熱點。在我國,尹靖凱等(2021)利用亮斑扁角水虻幼蟲對餐廚垃圾進行生物轉化,減量率可達76.2%,同時蛋白質(90.8%)與脂肪(71.5%)的轉化率也較高。據(jù)統(tǒng)計,每噸餐廚垃圾(含水量80%)經(jīng)亮斑扁角水虻幼蟲生物轉化后,可獲得0.667 t(含水量70%)亮斑扁角水虻飼料,20 kg的油脂原料(柴志強和朱彥光,2016)。充分說明餐余垃圾是有機廢棄物中較為理想的亮斑扁角水虻幼蟲飼養(yǎng)底物。國外利用亮斑扁角水虻幼蟲轉化餐廚垃圾可達到40%～86%的減量率(Dzepeetal.,2021;Alaaeldin and Renault,2023)。

1.3 亮斑扁角水虻生物轉化動植物殘體

在禽畜尸體應用方面,楊燕等(2016)利用亮斑扁角水虻處理疫病致死豬的探究中,未在吞噬了病料后的蟲體內檢測到相應的病原微生物,初步證實了亮斑扁角水虻幼蟲在病死畜禽尸體減量化、無害化處理中的可行性。同時,亮斑扁角水虻幼蟲可以在含有非洲豬瘟病毒(African Swine Fever Virus,ASFV)的內臟中飼養(yǎng),收獲的蟲體用作動物飼料時傳播ASFV的風險很低,為養(yǎng)殖業(yè)瘟疫病、禽流感等提供了綠色高效的解決方案(Olesenetal.,2022)。

近年來提倡農(nóng)作物秸稈還田,但普遍寄存于秸稈中的病菌和蟲卵會加重土壤污染以及下茬作物的病蟲害,合理、高效且環(huán)保的對秸稈進行利用,有利于治理環(huán)境污染及資源回收。Gao等(2019)的研究表明,亮斑扁角水虻幼蟲可以生物轉化經(jīng)米曲霉發(fā)酵處理后的玉米秸稈,粗蛋白與粗纖維含量分別為41.76%與30.55%。Chen等(2019)認為玉米秸稈的加入改善了底物的空間結構,有利于細菌生存,同時影響有毒金屬的遷移。Liu等(2022)的研究也證實了加入玉米秸稈相較于雞、豬糞等底物,可提高對有毒金屬的固定。另外,油菜籽秸稈與雞糞混合飼養(yǎng)的亮斑扁角水虻幼蟲蟲體所制備的生物柴油具有更高的十六烷值和氧化穩(wěn)定性,而且轉化率可達到94.4%(Elsayed,2020)。

1.4 亮斑扁角水虻生物轉化污泥廢棄物

剩余污泥中有害物質較多,是其造成生態(tài)環(huán)境污染的主要原因之一,探索有效的生物處理方法極為迫切。Lalander等(2019)發(fā)現(xiàn)相較于其他的有機物質(獸用飼料、餐廚垃圾、禽畜糞便、動物內臟等),污泥的反硝化率與物質還原率最低,而且預蛹期長,蛹體也小,表明污泥不宜單獨作為底物飼養(yǎng)亮斑扁角水虻。Raksasat等(2022)的研究結果認為,亮斑扁角水虻幼蟲對污泥生物轉化作用微弱的主要原因是存在于污泥中的胞外聚合物質(Extracellular polymeric substances,EPS)將其生長必需的營養(yǎng)物質鎖住,使其無法吸收導致發(fā)育受阻。但有研究表明,污泥中摻雜不同比例的麥麩可提高亮斑扁角水虻幼蟲生物轉化能力進而可對污泥減量處理,污泥含量在60%時減量效果最佳(14.72%),且可降低Pb、Cd、Cr、Ni等重金屬含量,經(jīng)轉化后的蟲體重金屬指標符合GB 13078～2001規(guī)定的含量,可作為家禽的混合飼料(魏亞茹,2020)。

1.5 亮斑扁角水虻生物轉化殘渣廢棄物

殘渣廢棄物中一般含有發(fā)酵副產(chǎn)物、代謝產(chǎn)物、代謝副產(chǎn)物、抗生素及重金屬等有毒有害物質(Guoetal.,2012),相比于物理與化學方法,生物降解法處理此類廢棄物更為安全與高效。劉存成(2020)利用抗生素菌渣(土霉素)與豆粕飼喂亮斑扁角水虻幼蟲的研究中,檢測發(fā)現(xiàn)其腸道中的ARGs(Antibiotic Resistance Genes)、TRGs(Tetracycline Resistance Genes)和MGEs(Mobile Genetic Elements)豐度顯著提高,其中TRGs可保證幼蟲耐受高濃度的OTC(Oxytetracycline),從而實現(xiàn)其對土霉素菌渣的生物轉化作用。亮斑扁角水虻幼蟲對中草藥渣同樣具備生物轉化作用,但處理后的蟲體粗蛋白含量較低,僅有30.03%(王慧姣等,2021)。

2 亮斑扁角水虻轉化效率的影響因素

亮斑扁角水虻幼蟲對不同種類的有機廢棄物都具有生物轉化作用,但有機廢棄物內復雜的理化性質及微生物組成同樣反作用于亮斑扁角水虻幼蟲,進而對其生長發(fā)育和轉化效率產(chǎn)生影響。當飼喂的幼蟲密度不同或者底物中混合著多種有機廢棄物時,情況更為復雜。

2.1 底物中理化條件對亮斑扁角水虻轉化效率的影響

在利用亮斑扁角水虻對有機廢棄物進行生物轉化時,適當調整飼養(yǎng)底物中的理化條件(如底物含水率、pH值和環(huán)境溫度等)對轉化效率有積極影響。

余玉麟(2022)通過單因素試驗表明,底物的含水率對餐廚垃圾轉化率有顯著的影響。飼養(yǎng)底物的含水率是決定亮斑扁角水虻生長發(fā)育和生物轉化效率的關鍵因素,在含水率為30%的底物中絕大部分亮斑扁角水虻幼蟲無法存活,含水率為50%與70%的底物則會延長幼蟲到預蛹的時間,而含水率在70%～80%時幼蟲的生物轉化效率最高(Lalanderetal.,2014;喻國輝等,2014;Matosetal.,2021)。盡管亮斑扁角水虻的抗逆性較強,但過高的鹽濃度不利于其生長發(fā)育(姬越等,2018),pH偏低同樣會影響其幼蟲的養(yǎng)分利用(Brits,2017),pH為6～10的環(huán)境最適宜幼蟲生長(Meneguzetal.,2018)。對于難以轉化的污泥,改變其pH可以破壞EPS的網(wǎng)狀結構,營養(yǎng)物質得以釋放,促進幼蟲生長發(fā)育(Raksasatetal.,2022)。

物理條件方面,最適宜亮斑扁角水虻生長發(fā)育的環(huán)境溫度范圍為27～30℃,黑暗與光照條件下亮斑扁角水虻幼蟲都可正常生長,但無光條件有利于幼蟲生長及沉淀脂肪,光照條件則有利于蛋白質沉淀(劉宏宇等,2015;Shumoetal.,2019;黃中佐等,2022)。此外,小分子類有機物質如碳水化合物等對于亮斑扁角水虻幼蟲來說較為容易分解吸收,而大分子類有機物質如蛋白質和淀粉等則較難處理,對較大顆粒的有機廢棄物進行粉碎處理后,有助于提高幼蟲的消化能力(Brits,2017;任立斌,2020)。

對于規(guī)模較大的生物轉化工廠而言,根據(jù)亮斑扁角水虻幼蟲各項生理生化指標的適宜范圍,可在對有機廢棄物進行回收、分類以及轉化等程序中做出相應調整,達到調配產(chǎn)出幼蟲體內營養(yǎng)組分比例的效果,促進生態(tài)經(jīng)濟效益最大化。

2.2 混合型底物對亮斑扁角水虻轉化效率的影響

單獨處理有機廢棄物時,轉化效率往往較低,尤其在禽畜糞便方面(El-Dakaretal.,2021;Loganetal.,2021;Widyaswaraetal.,2022)。混合型底物的組合具有多樣性,不同組合對幼蟲轉化效率的影響存在較大差異。將不同類型的底物混合飼喂亮斑扁角水虻不僅改善了對幼蟲的負面影響,還可促進其對有機廢棄物的生物轉化作用(Rehmanetal.,2023)。

彭超等(2022)研究表明,將小龍蝦廢棄物與豆腐渣(4∶1)混合后飼喂亮斑扁角水虻,其幼蟲存活率更高?；ㄉ熍c玉米粉營養(yǎng)水平高,摻雜到豬糞或鴨糞中飼養(yǎng)亮斑扁角水虻幼蟲,可加速其生長發(fā)育,進而提升其生物轉化率(徐齊云等,2014;馬加康等,2016)。農(nóng)作物秸稈還可與餐廚垃圾、豬糞等混合,通過改善底物空間結構來增加幼蟲的取食量與轉化率(許靜楊等,2020)。Rehman等(2017)的研究同樣表明,用不同比例的牛糞與雞糞制備的混合飼料飼養(yǎng)亮斑扁角水虻幼蟲可有效提高其對廢棄物的處理能力。El-Dakar等(2021)則發(fā)現(xiàn)鵪鶉糞和羊糞混合配制的底物,可使轉化后的蟲體中獲得較高的總蛋白(38%)和必需氨基酸(43%)。另外,利用微生物協(xié)同幼蟲對有機廢棄物進行共轉化是近年來的新熱點,研究表明枯草芽孢桿菌Bacillussubtills屬于亮斑扁角水虻幼蟲腸道微生物群,雞糞中摻入枯草芽孢桿菌與幼蟲進行共轉化,雞糞的減量率增加13.4%,蟲體重量增加15.9%(Xiaoetal.,2018)。

在實際生產(chǎn)應用中可根據(jù)對亮斑扁角水虻幼蟲營養(yǎng)組分的需求以及底物成本等因素,選取不同種類的有機廢棄物進行組合,對其生物轉化效率具有積極影響。

2.3 幼蟲密度對亮斑扁角水虻轉化效率的影響

幼蟲密度作為影響生物轉化作用效率的傳統(tǒng)因素,在不同的底物中可以顯著改變底物的pH和一些常見菌屬的相對豐度,進而影響轉化效率(Niuetal.,2022;Schrevenetal.,2022)。

適宜的幼蟲密度不僅可以提高導電率和總有機碳降解率,對固定Cd、Cr、Cu、Zn也有較好的效果(Jiangetal.,2022)。以不同密度的幼蟲對不同汞含量的餐廚垃圾進行生物轉化時,幼蟲密度與餐廚垃圾中汞的吸收量成正比關系(Attiogbeetal.,2019)。此外,轉化效率還與幼蟲密度、蟲齡緊密相關,蟲齡對整個生物轉化過程的耗時有影響,而過多的幼蟲密度則會在底物周圍形成障礙,降低對底物的消耗速度,適宜的密度與蟲齡可獲得較好的轉化效果(Liuetal.,2022)。Pintowantoro等(2021)發(fā)現(xiàn),17 g 5日齡的幼蟲每天能夠處理0.7 kg的有機廢物。在餐廚垃圾方面,投入100 g 7日齡的幼蟲有較高的減量率和營養(yǎng)回收率(尹靖凱等,2021)。在轉化禽畜糞便時,Matos等(2021)的研究發(fā)現(xiàn)在27 g的牛糞中投入300頭4日齡的幼蟲,對干物質、氮和磷等具有較好的減量效果;而字曉等(2020)的研究則認為在20 kg的牛糞中投入8 750頭4日齡幼蟲的效益最佳。

3 亮斑扁角水虻轉化有機廢棄物后蟲沙的應用

有機廢棄物經(jīng)亮斑扁角水虻幼蟲轉化后的蟲沙若無法妥善處理,勢必造成二次環(huán)境污染與資源浪費。通過混合不同種類有機廢棄物的手段調整蟲沙中的物質組分,輔以對特定產(chǎn)品的肥料分析,可使其達到有機肥料的標準,再次利用。蟲沙中的pH偏堿性,干物質和營養(yǎng)元素含量較高,合理施用可促進玉米、水稻、黑麥草等的生長(Beesigamukamaetal.,2020;G?rttling and Schulz,2021;Meninoetal.,2021;Wangetal.,2022)。

3.1 糞便經(jīng)亮斑扁角水虻生物轉化后的蟲沙

禽畜糞便經(jīng)亮斑扁角水虻幼蟲處理過后無臭味、質地松軟,可作優(yōu)質有機肥(Lietal.,2011;Lalanderetal.,2013;Bortolinietal.,2020)。張曉林等(2021)的研究中,雞糞經(jīng)生物轉化后重金屬含量有小幅變化,有機質含量(59.9%)、總養(yǎng)分含量(10.58%)以及pH(8.41)等指標均符合《有機肥料標準》(NY 525-2012)。Liu等(2019)探究雞糞、豬糞和牛糞堆肥效果的試驗中,經(jīng)亮斑扁角水虻幼蟲處理后總磷、總凱氏氮和總營養(yǎng)素等養(yǎng)分指標顯著提升,有機質降解率(20.31%～22.18%)同樣得到改善,相比于對照組更適宜作為有機肥。另外,經(jīng)轉化后的蟲沙可作有機肥的還有鴨糞,其中的總養(yǎng)分(≥5%)和有機質(≥25%)均符合生物有機肥標準(NY 884 2012)(余峰等,2018)。

3.2 餐廚垃圾經(jīng)亮斑扁角水虻生物轉化后的蟲沙

在日常生活中,餐廚垃圾極易混入含有鉛、汞等重金屬的洗滌用品。研究表明,經(jīng)亮斑扁角水虻轉化后的餐廚垃圾底物中汞含量最低可降至4.09 mg/kg,符合大部分國家對堆肥中汞含量的最低要求(Attiogbeetal.,2019)。尹靖凱等(2021)則發(fā)現(xiàn),餐廚垃圾中N(13.5%)、P(130.0%)、Na(92.9%)含量經(jīng)轉化后均顯著提升,同時提高了蟲沙的有機質含量(28.9%),達到有機肥料的限值標準。亮斑扁角水虻對餐廚垃圾中存在的其他重金屬、營養(yǎng)元素等具有不同程度的吸收作用,但相較于糞便,餐廚垃圾中重金屬來源較廣、種類較雜,且轉化過程中伴有新物質的產(chǎn)生,因此不宜直接堆肥。

3.3 殘渣污泥經(jīng)亮斑扁角水虻生物轉化后的蟲沙

殘渣與污泥等物質中有機物含量較低,作為單一底物對亮斑扁角水虻幼蟲進行投喂時很難達到其生長發(fā)育要求,常需結合禽畜糞便、餐廚垃圾及其他飼料混合飼養(yǎng),因此蟲沙中除了已轉化的有機物含量外,其他的物質組成與原底物中殘渣、污泥的相似度高,較為適宜應用于種植方面。研究表明,殘渣經(jīng)生物轉化后的蟲沙,有營養(yǎng)成分含量足、有機質降解率高等優(yōu)點,可促進腐殖化進程,抑制土壤中的致病菌,遏制害蟲侵擾,提升作物種子發(fā)芽指數(shù)(鄧舟等,2021;張浩等,2022;Monikaetal.,2022;Abiyaetal.,2022)。此外,污泥與餐廚垃圾經(jīng)亮斑扁角水虻幼蟲轉化后的蟲沙,若直接農(nóng)用可引起植物和土壤的毒性反應,經(jīng)處理后其營養(yǎng)元素及重金屬含量均符合有關標準,不僅可改善土壤結構,且安全性更高、毒性更小,適合用作農(nóng)田肥料和非食用植物的種植肥料(魏亞茹,2020;Anjali and Surindra,2022)。

4 亮斑扁角水虻腸道微生物的功能

亮斑扁角水虻幼蟲的腸道是其生物轉化有機廢棄物的主要場所,而腸道中的微生物群則是亮斑扁角水虻可對廢棄物進行生物轉化和產(chǎn)出高蛋白的主要功能因子,腸道微生物的組成受抗菌蛋白、pH和酶等的影響,來源則取決于幼蟲的取食和生活環(huán)境(Rehmanetal.,2017;Goldetal.,2018;Zhanetal.,2020)。基質類型是腸道微生物群落組成的最強驅動因子(Schrevenetal.,2022),在大多數(shù)生物轉化系統(tǒng)中,可以與幼蟲相互作用的微生物群落主要是細菌,但也包括真菌、病毒、古生菌等,可能還有原生生物(Tangaetal.,2021)。研究表明,存在于亮斑扁角水虻幼蟲腸道中的微生物群可分泌大量的酶,廢棄物中的碳水化合物和蛋白質在酶的作用下分別被還原為單糖和氨基酸,脂肪則轉化為脂肪酸及甘油三酯,被微生物或幼蟲進一步利用(Kimetal.,2011;Carvalhoetal.,2012;Yuetal.,2022;王聰?shù)?2022)。不同種類有機廢棄物中腸道微生物的組成各異,調整飼養(yǎng)底物中的有機廢棄物類型,可改變腸道微生物群的結構,進而影響亮斑扁角水虻幼蟲的生物轉化作用效果。

4.1 禽畜糞便中的亮斑扁角水虻腸道微生物

紀佳雨(2020)利用豬糞、蟲沙作為底物飼養(yǎng)亮斑扁角水虻幼蟲,結果共獲得OUTs 1 480個,其中蟲沙組共檢測出30門49綱105目178科339屬 515種838個OUT,相比于單純飼喂豬糞組,蟲沙返飼的亮斑扁角水虻腸道內及蟲沙中微生物的多樣性、相似性、豐富度、優(yōu)勢菌群均更高,表明腸道微生物對于亮斑扁角水虻幼蟲生物轉化作用起主導作用。將亮斑扁角水虻幼蟲飼養(yǎng)于微生物多樣性較高的禽畜糞便中,不僅可對腸道微生物群落進行優(yōu)化,還可影響相關功能基因的表達。研究表明,飼養(yǎng)于糞便中的亮斑扁角水虻幼蟲,其腸道可以減低底物內對人畜有害的病菌,比如大腸桿菌Escherichiacoli和沙門氏菌Salmonella(Lalanderetal.,2013;Elhagetal.,2022)。Wu等(2021)的研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)亮斑扁角水虻幼蟲處理后,存在于豬糞中的病原菌豐度顯著降低(89%),并且幼蟲體內與抗金屬相關的功能基因如CutC、pcoC、cusR、zurR和zntB等明顯增強。另外,可直接利用幼蟲腸道的菌群對培養(yǎng)底物進行“改良”,“改良”后的培養(yǎng)底物可對幼蟲階段及其生物轉化作用產(chǎn)生積極影響。何國寶(2010)將采自亮斑扁角水虻腸道及體表的枯草芽孢桿菌菌株接種至已滅菌的雞糞中飼養(yǎng)亮斑扁角水虻幼蟲,提高了亮斑扁角水虻預蛹重量和收獲量,對干物質利用率及幼蟲成活率也有提升作用,但在成蟲壽命和體長等方面存在負面影響。

4.2 餐廚垃圾中的亮斑扁角水虻腸道微生物

江承亮(2018)在探討亮斑扁角水虻幼蟲腸道菌群對餐廚垃圾生物降解的影響機制中發(fā)現(xiàn),幼蟲降解有機物的能力是通過一個介于堆體菌群與腸道菌群之間的中間新生態(tài)位而實現(xiàn)的:在一些低豐度腸道菌調控下堆體菌群與腸道菌群入侵彼此生態(tài)位,進而促使新生態(tài)位形成;在代謝功能方面,堆體菌群接種亮斑扁角水虻幼蟲后,腸道菌群可對堆體菌群進行“重新塑造”,亮斑扁角水虻堆肥組所測得的21種代謝功能中有11種代謝功能以及42.3%的功能基因顯著高于對照組;而群落結構的改變則呈現(xiàn)先分離后靠近,逐漸相似的趨勢。餐廚廢棄物中的物質組分與理化性質復雜,使得底物中微生物在進入腸道前經(jīng)歷嚴格的競爭篩選,相較于禽畜糞便生物多樣性下降,但代謝、抑菌以及消化等功能均有所提高。有研究報道,亮斑扁角水虻腸道環(huán)境具有低pH、多種蛋白水解酶與廣譜抗菌物質并存的特點,使得堆體中的微生物與腸道微生物在強大的選擇壓力下大量消亡,微生物多樣性下降,但益生菌比例提升而有害菌比例下降了(Goldetal.,2018;Bonellietal.,2019)。同時,姜慧敏(2020)發(fā)現(xiàn)亮斑扁角水虻幼蟲腸道內可產(chǎn)生抑制大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌Salmonellatyphimurium的自身免疫因子;而金黃色葡萄球菌Staphylococcusaureu的滅活主要依賴于其腸道菌群的競爭性抑制,調節(jié)pH可增強腸道菌群的作用,提升免疫活性。對餐廚垃圾進行預處理,優(yōu)化其理化環(huán)境或人為接種益生菌促進良性競爭,進而營造微生物群良好的生存環(huán)境,可有效提高亮斑扁角水虻對餐廚垃圾的生物轉化能力。

4.3 發(fā)酵飼料中的亮斑扁角水虻腸道微生物

發(fā)酵飼料的處理工藝較為獨特,所以對微生物測定方法的要求較高,目前在亮斑扁角水虻轉化發(fā)酵飼料方面,鮮有關于腸道微生物的研究報道。此外,滅菌處理也會對微生物的種類有一定影響,使得不同種類腸道菌群所對應的酶活性發(fā)生變化,進而影響亮斑扁角水虻幼蟲的轉化效率。康凌宇(2021)利用實時熒光定量PCR技術測定菌量在發(fā)酵過程中的變化情況時,發(fā)現(xiàn)飼料中的優(yōu)勢發(fā)酵菌種為植物乳桿菌Lactobacillusplantarum,且混菌發(fā)酵的菌群生長環(huán)境比單菌發(fā)酵更為復雜,生長情況因菌種的不同而不同。徐健(2016)在利用發(fā)酵飼料對亮斑扁角水虻消化酶活性和腸道菌群的特征研究中,發(fā)現(xiàn)經(jīng)滅菌處理的飼料對幼蟲消化酶活性無影響,但會使幼蟲腸道菌群的種類數(shù)量下降;而對幼蟲進行消毒處理后,其淀粉酶活性有所下降。

4.4 其他廢棄物中的亮斑扁角水虻腸道微生物

近年來借助分子技術,在亮斑扁角水虻轉化各種廢棄物過程中微生物的動態(tài)變化得以精細測定與追蹤,進一步證實了主要功能場所為亮斑扁角水虻幼蟲腸道,且其中的微生物組成對幼蟲的代謝功能起主導作用。劉存成(2020)的研究發(fā)現(xiàn),許多發(fā)生于昆蟲腸道中的代謝反應并非通過其自身的基因組編碼,而是由其腸道微生物群的元基因組編碼的,并且亮斑扁角水虻幼蟲降解抗生素的過程主要在其腸道內完成。同時,Zhan等(2020)發(fā)現(xiàn)并證實了飲食或時間點非相關的 16個操作分類單元(OTUS)微生物是與亮斑扁角水虻消化有機廢棄物相關的核心微生物群。

經(jīng)腸道、酶、抗菌蛋白篩選后的微生物群,在幼蟲體內時可增強其消化吸收營養(yǎng)物質的能力及免疫能力,而排放后則可調整蟲沙中生物多樣性,從而抑制病原體生長(Brunoetal.,2019)。鄒修為(2020)測定了亮斑扁角水虻在轉化4種不同類型底物(豬糞、豆渣、雞糞、淤泥)時腸道微生物中菌株Y4-39的抗菌活性,發(fā)現(xiàn)其對辣椒白絹病菌Sclerotiumrolfsii和辣椒疫霉菌Phytophthoracapsici具有很強的抑制作用,并且各基因簇(羊毛硫肽、芬枯草菌素、地非西丁、萜類物質等)關鍵基因的表達量都相對較高,表明其能產(chǎn)生多種具有抑菌活性的物質。另外,有研究在亮斑扁角水虻腸道中分離并鑒定出枯草芽孢桿菌屬、BSF-CL菌屬,對于小麥紋枯病病原菌Rhizoctonia、水稻黃單胞菌Xanthomonasoryzaepv.oryzae和金黃色葡萄球菌等多種有害菌有較為顯著的抑菌效果(喻國輝等,2010;周定中等,2012;Hyung Choi and Jiang,2014)。盡管已明確主要功能場所位于亮斑扁角水虻腸道,但對其篩選機制的探索目前仍處于空白,腸道菌群種類、可抑制的病原菌與病毒種類尚未完全清晰,抑菌的活性物質及其操控基因方面亦有待進一步研究。

5 總結與展望

綜上所述,亮斑扁角水虻幼蟲生物轉化有機廢棄物的范圍廣泛,轉化后的蟲體及蟲沙應用價值高,可有效緩解環(huán)境污染和資源浪費等問題,助力實現(xiàn)“一控、兩減、三基”目標。但此項應用技術仍處于起步階段,面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。

5.1 底物類型與理化條件

亮斑扁角水虻幼蟲對禽畜糞便與餐廚垃圾兩類有機廢棄物的轉化率均可達到70%以上,但均是建立在添加外源飼料的基礎上,對殘渣污泥等的轉化能力較弱,甚至無法單獨轉化。首先,應探明亮斑扁角水虻無法單獨轉化的有機廢棄物類型以及其中可添加的物質與比例;其次,探討兩種或以上的有機廢棄物混合對轉化率的提升效果,如禽畜糞便的混合轉化;再次,進一步明確亮斑扁角水虻幼蟲在混合型底物中生物轉化的生理生化指標,形成一套規(guī)模化生產(chǎn)的最佳參數(shù),實現(xiàn)轉化率的提高。

5.2 腸道微生物作用機制

近年來大量研究從微觀層面表明亮斑扁角水虻幼蟲生物轉化作用的主要場所在其腸道,主要功能因子為腸道中的微生物群,但受限于腸道分離技術,對其中的作用方式與免疫機制尚不清楚。隨著分子技術的不斷發(fā)展,此領域未來的研究應以腸道微生物為主,完善群落結構版圖,探明其降解重金屬與促進酶類、抗菌物質合成的機制,以期使有益菌定殖于腸道內,促進生物轉化作用。此外,對病死禽畜尸體內病原菌的消滅效果及其機制研究較少。

5.3 蟲體的應用與安全性

亮斑扁角水虻的蟲體富含蛋白質和脂肪,開發(fā)空間巨大,應加大其高附加值產(chǎn)品的研發(fā)力度。同時,蟲體中富含的抗菌肽可作為抗生素替代品是目前的研究熱點,闡明抗菌肽的耐藥性、分泌特征與抑癌作用較為迫切。有研究表明亮斑扁角水虻蟲粉摻入飼料中喂養(yǎng)肉雞,不僅可降低成本,提升產(chǎn)量,還可加強肉雞的免疫能力,有效降低病毒病發(fā)病率與死亡率(Zhangetal.,2021)。探究飼料中添加蟲體對飼養(yǎng)對象預防疾病的能力與治療效果,以及適宜的添加比例。另外,幼蟲階段轉化的有機廢棄物中含有病菌、病毒、農(nóng)藥及重金屬等,在飼料、食品和醫(yī)藥方面應用時須進行檢測、殺菌和消毒,提高安全性。

5.4 政策引導與市場推廣

亮斑扁角水虻轉化廢棄資源的技術近三十年來才得以快速發(fā)展,相關的立法滯后于發(fā)展。近些年來基礎研究的成果不僅助推立法,也獲得了市場認可。在歐美地區(qū),通過新食品立法允許食用昆蟲消費合法化,由特定底物飼養(yǎng)的亮斑扁角水虻可適用為魚類飼料的動物蛋白源(Chenetal.,2019;Gascoetal.,2020;Van Huis,2020)。在我國,生活質量的提升促進飼料蛋白需求逐年增加,然而蛋白質資源緊缺,近七成的大豆和魚粉依賴于進口(郝建偉等,2022)。

基于我國國情,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺《飼料中玉米豆粕減量替代工作方案》等相關政策,對有機廢棄物資源化處理的同時提高畜牧業(yè)優(yōu)質蛋白質飼料的自給率(高鵬翔等,2023)。一方面,應出臺相應政策,制定行業(yè)標準,加強監(jiān)管力度,提高社會面對有機廢棄物分類的關注度,鼓勵對餐廚垃圾、禽畜糞便、動植物殘體、工業(yè)殘渣污泥等進行集中化正規(guī)化處理;對有機廢棄物資源化處理的企業(yè)減稅,轉化產(chǎn)品代銷,形成良性閉合產(chǎn)業(yè)鏈,從政府與市場方面反向助推亮斑扁角水虻基礎研究。另一方面,農(nóng)業(yè)部門結合我國實際情況投入專項經(jīng)費,助力科研院所與團隊攻關此項應用技術的疑難問題;并成立地方產(chǎn)業(yè)研究院,促進科研成果轉化,帶動行業(yè)良性發(fā)展。